(57)【要約】【課題】高温での成膜を行うことなしに、絶縁性に優れ、かつ鉄損特性特に高周波鉄損特性に優れた方向性電磁鋼板を提供する。【解決手段】表面に、フェライト被膜をそなえる含珪素方向性電磁鋼板であって、該フェライト被膜の組成が    Fe2O3：40〜50 mol％、    ＭＯ（Ｍは、Mg，Ca，Mn，Co，Ni，CuおよびZnのうちから選んだ１種または２種以上    ：40〜60 mol％    Bi2O3：10 mol％以下を満足する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に、フェライト被膜をそなえる含珪素方向性電磁鋼板であって、該フェライト被膜の組成が
Fe2O3：40〜50 mol％、
ＭＯ（Ｍは、Mg，Ca，Mn，Co，Ni，CuおよびZnのうちから選んだ１種または２種以上    ：40〜60 mol％
Bi2O3：10 mol％以下
を満足することを特徴とするフェライト被膜付き方向性電磁鋼板。
【請求項２】
請求項１において、前記フェライト被膜の厚みが0.01〜10μm であることを特徴とするフェライト被膜付き方向性電磁鋼板。
【請求項３】
請求項１または２において、前記フェライト被膜の格子定数が0.1〜1.0％伸びていることを特徴とするフェライト被膜付き方向性電磁鋼板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フェライト被膜付き方向性電磁鋼板に関し、特にその鉄損の有利な低減を図ろうとするものである。
【背景技術】
【０００２】
方向性電磁鋼板は、主に変圧器や発電機等の電気機器の鉄心材料として用いられる軟磁性材料である。近年、省エネルギーの観点から、これら電気機器のエネルギーロスを低減することに対する要求が高まっており、鉄心材料として用いられる方向性電磁鋼板にも、従来にも増して良好な磁気特性が求められるようになってきた。
【０００３】
方向性電磁鋼板の磁気特性は主に鉄損と磁束密度で表されるが、そのうち鉄損は、ヒステリシス損と渦電流損に大別される。
方向性電磁鋼板の鉄損を低減するためには、
(1) 二次再結晶により鉄の磁化容易軸である＜００１＞軸を一方向（圧延方向）に高度に揃えることにより、ヒステリシス損を低減する方法、
(2) 鋼板に含まれる不純物を低減したり、表面を平滑化することにより、ヒステリシス損を低減する方法、
(3) 鋼板に高比抵抗元素（主としてSi）を含有させて渦電流損を低減する方法、
(4) 鋼板の厚みを薄くして渦電流損を低減する方法、
(5) 鋼板の表面に特定形状の歪みや溝を形成することにより、磁区を細分化することで渦電流損を低減する方法
等が有効である。
これらの方法が確立されたことにより、方向性電磁鋼板の鉄損は飛躍的に低減されてきた。
【０００４】
さらなる鉄損低減策として、最終仕上げ焼鈍後の鋼板の表面を平滑化し、その上に張力被膜を成膜することによって、磁区を細分化し、渦電流損を低減する技術も、これまで多数開示されている。
例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５および特許文献６において、ＰＶＤ（物理蒸着）法やＣＶＤ（化学蒸着）法によって、電磁鋼板の表面に窒化物や炭化物などのセラミックス被膜を成膜することにより鉄損を低減する技術が開示されている。
さらに、張力には鋼板および被膜のヤング率と熱膨張率が影響することから、例えば、特許文献７、特許文献８および特許文献９では、これらを適宜調整する手法が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特公昭６３−３２８４９号公報
【特許文献２】特公昭６３−３２８５０号公報
【特許文献３】特公昭６３−３５６８４号公報
【特許文献４】特公昭６３−３５６８５号公報
【特許文献５】特公昭６３−３５６８６号公報
【特許文献６】特公昭６３−３５６８７号公報
【特許文献７】特開平６−２４８４６５号公報
【特許文献８】特開平６−２８７７６４号公報
【特許文献９】特開平６−２８７７６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記した特許文献に記載の方法ではいずれも、付与張力を増大するために被膜形成温度を上昇させる必要があるが、この場合には、鋼板の軟化温度の1000℃を大きく超える成膜温度を採用することは困難である。
また、成膜に際して、電気・電子機器類が装置に近接して設けられているＰＶＤなどの手法では、概ね600℃程度を超える温度での成膜は物理的に困難である。
【０００７】
本発明は、上記の問題を有利に解決するもので、高温での成膜を行うことなしに、張力付与被膜を被覆した鉄損が低くかつ絶縁性に優れた方向性電磁鋼板を提供することを目的とする。
また、最近では、鉄損特性の中でも、周波数が１kHz以上のいわゆる高周波域での鉄損特性に優れることが求められているが、本発明は、この要請にも十分に応え得る方向性電磁鋼板を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．表面に、フェライト被膜をそなえる含珪素方向性電磁鋼板であって、該フェライト被膜の組成が
Fe2O3：40〜50 mol％、
ＭＯ（Ｍは、Mg，Ca，Mn，Co，Ni，CuおよびZnのうちから選んだ１種または２種以上    ：40〜60 mol％
Bi2O3：10 mol％以下
を満足することを特徴とするフェライト被膜付き方向性電磁鋼板。
【０００９】
２．上記１において、前記フェライト被膜の厚みが0.01〜10μm であることを特徴とするフェライト被膜付き方向性電磁鋼板。
【００１０】
３．上記１または２において、前記フェライト被膜の格子定数が0.1〜1.0％伸びていることを特徴とするフェライト被膜付き方向性電磁鋼板。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、高温での成膜を行うことなしに、鉄損特性とくに高周波域における鉄損特性に優れた方向性電磁鋼板を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明を具体的に説明する。
本発明は、基本的に含珪素方向性電磁鋼板の表面にフェライト被膜を被成したものである。
ここに、素材である含珪素方向性電磁鋼板の成分組成は、特に限定されるものではなく、従来から公知の成分系いずれもが適合する。代表的な成分組成について述べると、次のとおりである。
Si：2.0〜4.5mass％、Mn：0.01〜0.5mass％を含有し、必要に応じて、Mo：0.005〜0.10mass％，Ni：0.005〜1.50mass％，Sn：0.01〜0.50mass％，Sb：0.005〜0.50mass％，Cu：0.01〜1.50，Ｐ：0.005〜0.50mass％およびCr：0.01〜1.50mass％等を含有させたものである。
【００１３】
次に、上記した方向性電磁鋼板の表面に形成するフェライト被膜については、張力付与効果に優れるだけでなく、絶縁性に富み、さらに高周波域での鉄損特性に優れることが重要である。
そこで、本発明では、上記フェライトとして、
Fe2O3：40〜50 mol％、
ＭＯ（Ｍは、Mg，Ca，Mn，Co，Ni，CuおよびZnのうちから選んだ１種または２種以上    ：40〜60 mol％
Bi2O3：10 mol％以下（０mol％の場合を含む）
の組成に限定した。
【００１４】
ここに、Fe2O3は、フェライトの強磁性を発現させるために必須の成分であるが、含有量が40mol％に満たないとフェライトの透磁率が低下して、電磁鋼板の鉄損低減に不利であり、一方50mol％を超えるとフェライトの比抵抗が急激に低下して、高周波域での損失が増大する不利が生じる。
また、ＭＯは、フェライトの良好な磁気特性を発現させるために有用な成分であるが、含有量が40mol％に満たないと相対的にFe2O3が50mol％を超え、一方60mol％を超えると相対的にFe2O3が40mol％を下回るという問題が生じる。
さらに、Bi2O3は、フェライトの合成温度を低温化するのに有利に寄与するが、含有量が10 mol％を超えるとフェライトの透磁率を大きく損ない、電磁鋼板の低鉄損化の点で問題が生じる。
【００１５】
上記の成分組成になるフェライト被膜の厚みは0.01〜10μm とすることが好ましい。というのは、被膜厚が0.01μm に満たないと付与張力の面だけでなく、積層したときの絶縁性の面でも不十分であり、一方10μm を超えると剥離の問題が生じるからである。
【００１６】
ところで、電磁鋼板に張力を付与するには、フェライト被膜が伸びた状態にすると好適である。この際、格子定数の伸びが、ＡＳＴＭカードの値と比較した時、0.1％未満では張力付与による電磁鋼板の磁気特性向上効果に乏しく、一方1.0％を超えると、大きな張力によりフェライト被膜が剥離したり、表面にクラックが発生するため、フェライト被膜の格子定数の伸びは、ＡＳＴＭ（American Standard for Testing Materials）カード比で0.1〜1.0％程度とするのが好適である。
ここに、ＡＳＴＭカードとは、粉末Ｘ線回折の標準データが示されたものである。
なお、フェライト被膜の格子定数の伸びを上記の範囲に調整するには、原料の平均粒径を１〜２μm の範囲として、エアロゾルデポジション法を適用することが好適である。
【００１７】
次に、本発明鋼板の好適製造方法について説明する。
所定の成分組成に調整された鋼スラブを、熱間圧延し、得られた熱延板に１回又は中間焼鈍を挟んで複数回の冷間圧延を施して最終板厚とした後、脱炭および１次再結晶焼鈍を施し、さらに焼鈍分離剤を塗布してから、最終仕上げ焼鈍を施して方向性電磁鋼板とする。この際、焼鈍分離剤の主成分をマグネシアとして、鋼板表面にフォルステライト被膜を形成した場合には、このフォルステライト被膜を酸洗で除去して表面を平滑化する。かようなフォルステライト被膜を形成しない場合には、そのまま次工程に供することもできるが、やはり酸洗により表面を平滑化することが好ましい。
【００１８】
ついで、表面を平滑化した方向性電磁鋼板の表面に、フェライト被膜を形成する。このフェライト被膜の形成方法としてはエアロゾルデポジション法が有利に適合する。
ここに、エアロゾルデポジション法とは、セラミックスなどの微粒子をガスと共に混合し、エアロゾル化したものを、数100m/s程度の高速度で基板に吹き付け、成膜する手法である（例えば、「まてりあ  第41巻第７号（2002）p.459」）。また、そこで成膜された時には歪が導入されていることが知られている（「粉体および粉末冶金」第51巻第９号（2004）p.691）。
【００１９】
以下に、具体的な成膜方法を示すが、本発明はこれに限定されるものではない。
開口：10×0.4 mmのノズルを備えたチャンバー内に、該ノズル先端から５mm離れ、かつノズルと垂直な位置に電磁鋼板をセットする。ノズル先端からキャリアガスでフェライト粒子を搬送・衝突させることで成膜する。このとき、チャンバー内圧力を数Torrに維持するために、適度に絞った真空ポンプで排気する。また、ノズルから噴出するガス・粒子混合物は、粒子がガスに浮遊・分散した、エアロゾル状態となっているものを用い、ノズル先端から減圧チャンバー内へ噴出した時の速度は数100m/s程度とする。このとき、基板またはノズル先端を移動することで、所望の面積にわたって被膜を形成することができる。なお、処理温度は室温でよい。
【００２０】
上記のようにして方向性電磁鋼板の表面にフェライト粒子を衝突させると、衝突エネルギーに起因してフェライトは通常の場合よりも伸展した状態で成膜されるが、この伸展に伴い、地鉄鋼板には張力が付与されるのである。
ここに、上記した伸展の程度は、前述したとおり、格子定数の伸びが、ＡＳＴＭカード比で0.1〜1.0％程度とするのが好適である。
【００２１】
なお、フェライト被膜の被覆方法としては、上記したエアロゾルデポジション法に限定されるものではなく、他の被覆方法、例えばＰＶＤ法やＣＶＤ法などを用いることもできる。
【実施例】
【００２２】
実施例１
Si：3.2mass％、Mn：0.062mass％、Mo：0.025mass％およびSb：0.026mass％を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の組成になり、板厚が0.23mmのフォルステライト被膜付き方向性電磁鋼板（比較例１）と、このフォルステライト被膜を酸洗で除去して表面を平滑化した被膜無し方向性電磁鋼板（比較例２）、およびこの鋼板の表面に、Fe203：50mol％、NiＯ：27mol％、ZnＯ：22mol％組成のフェライト膜を、エアロゾルデポジション法により、厚さ：３μmに成膜したフェライト被膜付き方向性電磁鋼板（発明例１）について、それぞれ磁束密度：1.7Ｔ，周波数：50Hzのときの鉄損Ｗ17/50および磁束密度：1.0Ｔ，周波数：10ｋHzのときの鉄損Ｗ10/10kを、エプスタイン法により測定した。
得られた結果を表１に示す。
なお、鉄損値は、比較例１の値を1.0したときの相対値で表した。
また、エアロゾルデポジション法による成膜条件は、原料の平均粒径：１μm、搬送ガス（アルゴンガス）流量：１リットル/mim、ノズル開口寸法：0.4×10mmである。
【００２３】
【表１】
2007204817.tif 000002
【００２４】
表１から明らかなように、本発明に従いフェライト被膜を電磁鋼板上に成膜することにより、50Hz時は勿論のこと、高周波の10kHz時においても良好な鉄損を得ることができた。
【００２５】
実施例２
Si：3.2mass％およびMn：0.072mass％を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の組成になり、板厚が0.2mmのフォルステライト被膜付き方向性電磁鋼板（比較例５）と、このフォルステライト被膜を酸洗で除去して表面を平滑化した被膜無し方向性電磁鋼板の表面に、表２に示す種々の組成になるフェライト被膜を、実施例１と同じ条件のエアロゾルデポジション法で厚さ：３μmに成膜したフェライト被膜付き方向性電磁鋼板（発明例２〜７、比較例３、４）をそれぞれ５枚積層したものを用意して、それぞれの場合における鉄損Ｗ17/50およびＷ10/10kを測定した。
得られた結果を表２に併記する。
なお、鉄損値は、比較例５の値を1.0したときの相対値で表した。
【００２６】
【表２】
2007204817.tif 000003
【００２７】
表２から明らかなように、本発明のフェライト被膜を電磁鋼板上に成膜することにより、50Hz時および10kHz時のいずれにおいても良好な鉄損が得られている。
【００２８】
実施例３
フェライトの組成を、Fe203：49.5mol％、CaＯ：１mol％、NiＯ：20mol％、ZnＯ：20mol％、Bi203：9．5mol％と固定し、エアロゾルデポジション法により、実施例２と同様にして、電磁鋼板表面に厚みを変化させてフェライト被膜を成膜した。被膜厚さは、処理時間によりコントロールした。
得られた電磁鋼板について、鉄損Ｗ10/10kを測定すると共に、φ15mm丸棒曲げテストを行って、被膜密着性を調査した。
得られた結果を表３に示す。
なお、鉄損値は、比較例５の値を1.0したときの相対値で表した。
【００２９】
【表３】
2007204817.tif 000004
【００３０】
表３に示したとおり、0.01〜10μmの被膜厚さにおいて良好な密着性と鉄損が得られている。
【００３１】
実施例４
フェライトの組成を、Fe203：43mol％、MnＯ：37mol％、CoＯ：４mol％、ZnＯ：16mol％ と固定した平均粒径：0.3〜７μmの粉末を原料として、エアロゾルデポジション法により、実施例２と同様にして、電磁鋼板の表面に厚さ：３μm のフェライト被膜を成膜した。
得られた電磁鋼板の結晶格子の伸びおよび鉄損Ｗ10/10kについて調べた結果を、表４に示す。
なお、結晶格子の伸びは、原料粉末粒径でコントロールした。また、結晶格子の伸びは、粉末Ｘ線回折から求めた格子定数を、原料粉末での格子定数を基準として算出した。また、鉄損値は、比較例５の値を1.0したときの相対値で表した。
【００３２】
【表４】
2007204817.tif 000005
【００３３】
表４から明らかなように、0.1〜1.0％の格子が伸びた被膜において特に良好な鉄損が得られている。